螺杆转速和机筒温度对聚丙烯加工的影响分析

螺杆转速和机筒温度对加工聚丙烯的影响^[83]

陈晋南，王鸳鸯，彭炯

影响螺杆注射成型过程的主要因素来自设备结构，成型过程的工艺条件（如螺杆转速，机筒温度，螺杆行程，预塑背压等）和聚合物流变性能。当设备结构和物料确定后，成型工艺条件将是影响注射螺杆流道内熔体流场的主要因素。研究注塑成型机理，必须研究工艺条件对注射螺杆流道内熔体流场的影响。Dontula等利用红外传感器测量了螺杆转速、背压、注射行程、熔体黏度对熔体温度分布的影响。金志明等研究了加工工艺条件和螺杆参数之间的关系，讨论了轴向温差的形成机理。张友根从理论和实践上，分析了注射塑化的主要性能，研究了塑化螺杆的结构、工艺参数与塑化质量和计量重复精度的关系。作者探讨了不同螺杆转速和机筒温度对注射螺杆流道内熔体流场的影响。使用聚合物流体力学软件Polyflow数值计算了不同转速下，塑化过程中注射螺杆流道内熔体的流场，讨论了转速对流场各物理量的影响。数值计算了不同机筒温度下，塑化和注射过程中螺杆流道内熔体的流场，讨论了温度对流场中各物理量的影响。

1 模型设计

1.1 数学模型

在注塑机螺杆加工聚丙烯(PP)的过程中，由于PP熔体的高黏性，惯性力和质量力相对于黏性力很小，可忽略不计。假设PP熔体为不可压缩纯黏性非牛顿流体，在螺杆流道中是三维非等温、非稳定层流流动，流道全充满，流道壁面无滑移，则描述注塑机塑化和注射PP过程熔体的控制方程为

连续性方程

动量方程

能量方程

剪切速率

黏性热

Carreau模型和近似Arrhenious式的乘积描述PP物料的表面黏度随剪切速率和温度变化的本构方程为

式中：i，j＝1，2，3；p为压力，MPa；ϕ为黏性热，W/m³；η为表观黏度，Pa· s；η₀为零表观黏度，26.470kPa·s；为剪切速率，1/s；t_λ为松弛时间，2.15s；n为非牛顿指数，0.38；T₀为参考温度，473K；β为热敏系数，0.02K^－1；κ为物料的导热系数，0.15W/(m·K)；c_p为物料的比定压热容；2100J/(kg·K)。

1.2 几何模型网格和计算方法

根据某公司提供的螺杆结构尺寸，螺杆直径为90mm，选取螺杆计量段360mm，螺杆头锥角为36°的注射螺杆为研究对象。以计量段起点截面的圆心为原点，以流道中心线为z轴建立直角坐标系。根据机筒静止、螺杆旋转并周期性往复运动的特点，分别建立了止逆环螺杆流道内熔体三维模型。采用四面体网格划分螺杆头、止逆环和螺棱等复杂部位，采用六面体网格划分机筒和螺杆的柱体部位。螺杆流道的网格总数分别为80576个。为了克服因螺杆运动而带来的网格划分的重复工作量，使用了Polyflow软件包提供的网格叠加技术(MST)，自动将螺杆头和机筒内的两部分网格按照运动情况组合。图1给出了35°锥角止逆螺杆计量段的几何模型和有限元网格。

采用某公司提供的工艺条件：塑化时螺杆转速为95r/min，轴移速度为0.0125m/s，背压为2.5MPa；注射时螺杆不转动，注射速度为0.094m/s，PP熔体密度为735kg/m³，进出口压差为2.4MPa；给定入口温度和机筒内壁的温度均为513K。在转速为45，95，105r/min的条件下，数值计算了塑化过程中注射螺杆流道内熔体的流场，讨论了转速对流场中熔体流速，剪切速率，温度，黏性热和黏度等物理量的影响。在转速为95r/min和机筒温度分别为473，513，573K条件下，数值计算了塑化和注射过程中螺杆流道内熔体的流场，讨论了温度对流场中剪切速率，温度，黏性热和黏度等物理量的影响。计算中，速度采用Mini-element插值，压力采用线性插值，黏度采用皮卡插值，能量方程采用上风法插值，用隐式欧拉法联立求解方程式(1)~(6)，计算的收敛精度为10^－3，在HPXW6000工作站上完成全部计算工作，最长一次运算机时为14h。分两部分给出数值计算的结果和讨论。由于篇幅限制，仅给出部分计算结果。

2 结果与讨论

2.1 转速对螺杆流道内熔体流场的影响

由于注射时螺杆不旋转，仅讨论了不同转速下塑化过程中熔体的非等温流场。塑化时间为3.76s，研究塑化时间为3.50s时，即接近塑化结束时刻PP熔体的流场。重点讨论螺杆与机筒组合流道内PP熔体的流场，选取螺杆流道Oyz截面给出数值计算的结果。图2至图4分别给出了不同转速下螺杆流道Oyz截面上PP熔体的剪切应力场、黏性热场和黏度场。由图2至图4可知，塑化时，从螺杆计量段到螺杆头部，沿着螺杆z轴正方向，螺杆流道内熔体的剪切应力和黏性热逐渐变小，温度稍有升高。将不同转速下流场中PP熔体各物理量的最大值列于表1。如表1所示，当螺杆转速增大了1.1和1.3倍时，熔体的最大流速分别增大了1.4，1.6倍，最大剪切应力分别增加了0.26，41.00倍，最大黏性热值分别增加了1.2，2.0倍。转速增加时，熔体温度最大值变化不大。正如金志明等的实验工作指出，随着螺杆转速的增加，熔体的流速增大，熔体的剪切应力增加，黏度降低，有利于塑料的加工成型。数值模拟的结果与实验研究结果一致。黏性热随着转速提高而增大。

图1 35°锥角止逆螺杆计量段几何模型和有限元网格

图2 不同转速下螺杆流道Oyz截面上熔体的剪切应力场(kPa)

(a) 45r/min (b) 95r/min (c) 105r/min

图3 不同转速下螺杆流道Oyz截面上熔体的黏性热场(MW/m³)

(a) 45r/min (b) 95r/min (c) 105r/min

图4 不同转速下螺杆流道Oyz截面上熔体的黏度场(kPa·s)(www.xing528.com)

(a) 45r/min (b) 95r/min (c) 105r/min

表1 不同转速下熔体流场各物理量的最大值

2.2 机筒温度对螺杆流道内流场的影响

2.2.1 塑化时熔体的三维非等温流场

塑化时间为3.76s，研究3s时刻螺杆流道内熔体的流场。图5给出入口温度和机筒内壁的温度均为513K，塑化过程中螺杆流道Oyz截面上熔体的压力场。图6至图8分别给出了不同机筒温度下螺杆流道Oyz截面上熔体的速度场、黏性热场和黏度场。由图6至图8可见，随着机筒温度的升高，熔体的温度升高，黏度下降，流速增大，黏性热减小。

将流场中熔体各物理量的最大值列于表2。由表2可知，塑化时，当机筒温度分别降低60，100K时，熔体的最大速度相应减小了0.004，0.011m/s，熔体的最大剪切应力增加了0.57，1.13倍；熔体的最大黏性热增大了0.59，1.15倍，熔体最大黏度值增大了2.32，6.39倍。

图5 机筒温度513K时螺杆流道Oyz平面上熔体的压力场(MPa)

表2 不同机筒温度下流场中熔体各个物理量的最大值

2.2.2注射时熔体的三维非等温流场

注射时间为0.50s，在0.35s时刻考察螺杆流道内熔体的流场，由于注射时熔体集中在螺杆头部，计量段几乎没有物料，以下仅讨论局部放大螺杆头部的流场。图9和图10分别给出了不同机筒温度下螺杆头流道Oyz截面上熔体的剪切速率场和黏度场。将螺杆头流场中PP熔体各物理量的最大值汇总在表3中。由表3可知，注射时，当机筒温度分别降低60，100K时，熔体的最大黏度值相应增大了1.43，2.40倍，熔体的最大流速值减小了0.130，0.359m/s，最大剪切速率值增大了0.17，0.24倍，最大剪切应力值增大了0.67，1.32倍，最大黏性热值增大了0.96，1.87倍。由图9、图10和表3可知，随着机筒温度的增加，熔体的黏度降低，流速增加，剪切应力下降，剪切速率下降，黏性热下降，有利于注射成型。

图6 不同机筒温度下螺杆流道Oyz截面上熔体的流速场(m/s)

(a) 473K (b) 513K (c) 573K

图7 不同机筒温度下螺杆流道Oyz截面上熔体的黏性热场(MW/m³)

(a) 473K (b) 513K (c) 573K

图8 不同机筒温度下螺杆流道Oyz截面上熔体的黏度场(Pa·s)

(a) 473K (b) 513K (c) 573K

图9 不同机筒温度下螺杆头流道Oyz截面上熔体的剪切速率场(1/s)

(a) 473K (b) 513K (c) 573K

图10 不同机筒温度下螺杆头流道Oyz截面上熔体的黏度场(kPa·s)

(a) 473K (b) 513K (c) 573K

表3 不同机筒温度下螺杆头流道Oyz截面上熔体各物理量的最大值

3 结束语

在两种工艺条件下，使用聚合物流体力学软件Polyflow和有限元法，数值求解了注射止逆螺杆流道内熔体的非等温流场。分别研究了塑化和注射过程中转速和机筒温度对螺杆流道内熔体非等温流场的影响。结果表明：随着螺杆转速的增加，塑化过程中熔体的流速增大，熔体的剪切应力增加，黏度降低，有利于注塑成型；但黏性热随着转速提高而增大。随着机筒温度的升高，塑化和注射过程中熔体的温度升高，黏度下降，流速增大，剪切应力变小，黏性热减小，有利于注射成型。

综上所述，虽然提高机筒温度和螺杆转速，有利于注射成型，但是提高螺杆转速和机筒温度，所需功率增大，生产成本增加。因此在选择转速和机筒温度时应综合考虑塑化效果和生产成本，在保证注射质量的前提下，应尽力降低转速和机筒温度。